Die Erfindung betrifft einen Stabilisierungseinrichtung zur Kennfelderweiterung eines Verdichters gemäss Oberbegriff des Anspruches 1.
Derartige Stabilisierungseinrichtungen sind für axiale und radiale Verdichter bekannt, siehe z.B. GB-A-761 937, FR-A-1 528 797 oder GB-A-798 480. Bei Verwendung von Turboverdichtern wird angestrebt, mit wachsendem Durchfluss monoton fallende Kennlinien ohne Hysterese zu erzielen, um eine hohe Zuverlässigkeit bei Teillastbetrieb zu erreichen. Solche kontinuierliche Kennlinien werden als stabil bezeichnet. Bei Teillast sind jedoch stabile Kennlinien um so schwerer zu erzielen, je grösser das Druckverhältnis im Auslegungspunkt ist. Deshalb versucht man mittels zusätzlicher Stabilisierungseinrichtungen die gewünschten Kennlinien zu erzeugen.
In der Patentschrift EP 0 229 519 wird eine Stabilisierungseinrichtung für einen Radialverdichter beschrieben, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Innengehäuse als Ummantelung des Schaufelrades radiale Bohrungen oder Schlitze aufweist, die eine Verbindung zwischen Anströmungskanal und Beschaufelung herstellen und dabei schaufelseitig von den Schaufeln mehr oder minder überdeckt werden. Dadurch wird zwar die Pump- oder Stabilitätsgrenze kennlinienförmig verschoben, aber gleichzeitig wird der Wirkungsgrad des Verdichters stark herabgesetzt.
Bekannt ist auch ein Zentrifugalkompressor (US 4,212,585), bei dem ein Gehäusezusatz mit freien Ausnehmungen vorhanden ist, die sich in Strömungsrichtung erstrecken. Diese Ausnehmungen bewirken aber besonders im Teillastbereich eine Pumpwirkung, also instabile Kennlinien. Die in der Patentschrift CH 675 279 beschriebenen Stabilisierungseinrichtung besteht ebenfalls aus einer Ausnehmung im Gehäuse des Radialverdichters, wobei aber in diese Ausnehmung ein Stabilisierungsring integriert ist, der vor dem Laufrad und ausserhalb der Hauptströmung angeordnet ist und an seinem Aussenumfang eine Anzahl Schaufeln trägt, die an der Innenkontur der Ausnehmung verankert sind. Der Nachteil dieser Lösung ist die aufwendige Gestaltung des Gehäuses und der Stabilisierungseinrichtung.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass die bekannten technischen Lösungen zur Stabilisierung des Verdichterkennfeldes eine spezielle Gestaltung des Verdichtergehäuses beinhalten. Bei starker Drosselung des Verdichters wird eine Rezirkulationsströmung durch die bzw. in den im Verdichtergehäuse angeordneten Öffnungen ermöglicht.
Der Nachteil dieser bekannten technischen Lösungen ist die aufwendige Gehäusegestaltung. Ausserdem sind bei herkömmlichen Radialradkonstruktionen die Laufschaufeln im Eintrittsbereich durch Schwingungen stark belastet, welche durch die bekannten Stabilisatoren noch verstärkt werden können. Desweiteren verursacht die sich an der Gehäusewand entwickelnde, bei langen Zuströmwegen dicke Grenzschicht im Schaufelaussenbereich ungünstige Zuströmbedingungen, wenn diese nicht durch eine komplizierte Schaufelgeometrie kompensiert werden. Ein weiterer Nachteil ist der auf Grund der engen Spiele zwischen Gehäuse und Laufrad erforderliche hohe Fertigungsaufwand.
Die Erfindung versucht all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verdichter durch Stabilisierung der Strömung das Verdichterkennfeld zu kleinem Durchsatz hin zu verbreitern und gleichzeitig die Schwingungs- und Spielprobleme im Laufradeintrittsbereich zu beseitigen. Desweiteren liegt ihr noch die zusätzliche Aufgabe zugrunde, bei dem Verdichter mit Stabilisierungseinrichtung den Grenzschichteinfluss auf die Strömungsverhältnisse an den Schaufelvorderkanten zu verringern.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass zwischen dem Ring und dem Gehäuse des Verdichters ein Rezirkulationskanal angeordnet ist, welcher an seinem in Strömungsrichtung hinteren Ende eine Öffnung zum Laufrad hin hat, wobei im Anschluss an das hintere Ende dieser Öffnung zwischen Laufrad und Wand des Gehäuses nur noch das bisher übliche enge Spiel besteht.
Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem in einer Verbreiterung des Verdichterkennfeldes zu kleinen, aber auch zu grossen Volumenströmen hin zu sehen. Gleichzeitig werden die Amplituden der Schaufelschwingungen im Laufradseintrittsbereich reduziert, wodurch die Laufschaufeln dort dünner als bisher ausgeführt werden können. Dadurch wird der Laufradwirkungsgrad erhöht. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch den grossen radialen Abstand zwischen dem Ring und dem Gehäuse im Laufradeintrittsbereich keine Spielprobleme auftreten. Ausserdem beeinflusst die im Zuströmbereich zum Laufrad an der Gehäuseaussenwand entstandene Grenzschicht nicht mehr die Strömungsverhältnisse an den Schaufelvorderkanten, da sie im neben dem Laufrad liegenden Kanal an den Eintrittskanten der Laufschaufeln vorbei fliesst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
In der Zeichnung sind 5 Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand eines Radialverdichters dargestellt.
Die Fig. 1 bis 5 zeigen jeweils einen Teilmeridianschnitt des Verdichters mit der Stabilisierungseinrichtung.
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung des Arbeitsmittels ist mit Pfeilen bezeichnet.
In Fig. 1 ist ein Teil eines Radialverdichters mit einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Stabilisierungseinrichtung dargestellt. Der Verdichter besteht aus dem Gehäuse 3 und dem Laufrad 5. Das Laufrad 5 ist mit einem fest mit den Laufschaufeln 1 verbundenen mitrotierenden dünnen Ring 2 ausgerüstet. Die in Strömungsrichtung des Gases liegende vordere Kante des Ringes 2 befindet sich in diesem Fall axial vor den Eintrittskanten der Laufschaufeln 1. Zwischen dem Ring 2 und dem Gehäuse 3 des Verdichters ist ein Rezirkulationskanal 4 angeordnet, welcher durch die Aussenfläche des Ringes 2 und die Innenfläche des Verdichtergehäuses 3 begrenzt wird. Der Rezirkulationskanal 4 hat an seinem in Strömungsrichtung hinteren Ende eine Öffnung zum Laufrad 5 hin. Erst vom hinteren Ende dieser Öffnung an haben das Laufrad 5 und die Innenwand des Gehäuses 3 das übliche enge Spiel.
Der Ring 2 stützt die Schaufeleintrittskanten sowohl in tangentialer als auch in radialer Richtung ab. Dadurch werden die Amplituden der Schaufelschwingungen starkt reduziert und die mechanische Schaufelbelastung sinkt. Auf Grund der reduzierten Schaufelbelastung können die Laufschaufeln 1 dünner als ohne Ring möglich ausgeführt werden, was wiederum eine Erhöhung des Laufradwirkungsgrades bewirkt.
Der neben dem Laufrad 5 liegende radiale Rezirkulationskanal 4 bewirkt in erster Linie die Stabilisierung des Verdichterkennfeldes. Durch diesen Strömungskanal 4 kann sich bei einer Drosselung des Verdichters der die Strömung stabilisierende Rezirkulationsstrom ausbilden. Das Verdichterkennfeld wird dadurch zu kleinen Volumenströmen hin verbreitert. Andererseits wird das Kennfeld auch zu grossen Volumenströmen hin verbreitert, da bei sehr grossem Durchsatz, wenn im engsten Laufradquerschnitt bereits Schallgeschwindigkeit herrscht, durch den Rezirkulationskanal 4 Fluid in das Laufrad 5 einströmen kann. Die im Zuströmbereich zum Laufrad 5 an der Aussenwand des Gehäuses 3 entstandene Grenzschicht beeinflusst nicht mehr die Strömungsverhältnisse an den Vorderkanten der Laufschaufeln 1, da sie im neben dem Laufrad 5 liegenden Rezirkulationskanal 4 an den Schaufeleintrittskanten vorbei fliesst. Eine Grenzschichtkompensation durch eine angepasste Schaufelform ist somit nicht nötig.
Die Grenzschicht, die sich am mitrotierenden, axial vorstehenden Ring 2 ausbildet, rotiert mit dem Ring 2. Sie hat deshalb eine Drallkomponente, die mit der Laufraddrehung gleichgerichtet ist. Dadurch reduziert sich die Machzahl an den Schaufeleintrittskanten, was ein besseres Schluckvermögen des Laufrades bewirkt.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch den grossen Abstand zwischen dem Ring 2 und dem Gehäuse 3 im Laufradeintrittsbereich keine Spielprobleme mehr auftreten und sich dort neue Freiheitsgrade für die Gestaltung der Aussenkontur des Laufrades 5 ergeben.
In den Fig. 2 bis 4 sind weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung, die sich auf eine unterschiedliche Anordnung und Gestaltung des Ringes 2 beziehen, an einem Radialverdichter dargestellt. In Fig. 2 schliesst der mit den Laufschaufeln 1 fest verbundene Ring 2 bündig mit den Schaufeleintrittskanten ab, während sich in Fig. 3 die in Strömungsrichtung vordere Kante des Ringes 2 axial hinter den Schaufeleintrittskanten befindet. Fig. 4 zeigt, dass die Grösse des Radius des Ringes 2 in axialer Richtung veränderbar ist.
Vorteilhaft ist, wenn die Oberfläche des Ringes 2 eine gewisse Rauhigkeit aufweist, weil dadurch der Drall der am Ring 2 haftenden Grenzschicht günstig beeinflusst wird. Die Oberflächenrauhigkeit Rz sollte im Bereich von 6,3 bis max. 40, vorzugsweise bei 20, liegen.
Bei axialer Positionierung des Ringes 2 (Fig. 5) liegen die Abmessungen der in Strömungsrichtung hinteren Öffnung des Rezirkulationskanals 4 in folgenden Bereichen: Das Verhältnis von gemeinsamer Meridianbogenlänge zwischen Ring und äusserem Schaufelschnitt zur Meridianbogenlänge des äusseren Schaufelschnitts s1/smax beträgt 0,05 bis max. 0,2, vorzugsweise 0,09. Das Verhältnis der Meridianbogenlänge von der Schaufeleintrittskante bis zum Ende der Öffnung des Rezirkulationskanals zur Meridianbogenlänge des äusseren Schaufelschnitts s2/smax beträgt 0,15 bis max.0,4, vorzugsweise 0,27, das Verhältnis des Abstandes der in Strömungsrichtung liegenden vorderen Kante des Ringes 2 von der Schaufeleintrittskante zur Meridianbogenlänge des äusseren Schaufelschnitts 1/smax beträgt -0,1 bis max. 0,6, vorzugsweise 0,41 und das Verhältnis der Höhe des Rezirkulationskanals zum Aussenradius des Laufrades Δr/r2 beträgt 0,075 bis max.0,2, vorzugsweise 0,11.
Die erfindungsgemässe Stabilisierungseinrichtung kann selbstverständlich auch in Axialverdichtern angebracht werden.